Использование ПО для моделирования: опыт Nissan

Новые стандарты токсичности выхлопа, заботящиеся об экологии клиенты и современные технические средства бросают вызов производителям автомобилей. Компания Nissan Motor Company Ltd. приняла этот вызов — она считается первым производителем серийного автомобиля с системой сокращения выхлопных выбросов, соответствующей стандарту PZEV Калифорнийского совета по воздушным ресурсам (California Air Resources Board, CARB).

В прошлом Nissan использовала длительный процесс разработки, основанный на бумажных чертежах и отработке идей на реальных двигателях. Этот процесс чрезмерно усложнял фазу проектирования, а для достижения желаемых характеристик системы требовались тысячи циклов.

Заменив процесс чертежного проектирования программными средствами моделирования компании Mathworks Inc., Nissan разработала систему сокращения выбросов, впервые реализованную в модели Sentra Clear Air (CA) 2000 года. Sentra CA стал первым автомобилем с бензиновым двигателем, сертифицированным CARB на соответствие стандарту PZEV.

Mathworks Simulink используется для объединения элементов конструкции, каждый из которых представляет собой независимую модель, в подробную схему управления силовым агрегатом. Каждая деталь двигателя, трансмиссии и ходовой части может быть проверена и протестирована в составе общей модели системы

Опыт, полученный в процессе создания модели Nissan Sentra Clear Air (CA) 2000-го года, первого автомобиля с бензиновым двигателем, соответствующего стандарту PZEV Калифорнийского совета по воздушным ресурсам, использовался в других разработках Nissan, таких как этот пикап Titan

«Если вы проезжаете 10 миль до работы, затем обратно до дома на Sentra, вы все равно производите меньше загрязнения, чем среднестатистический автомобиль, стоящий весь день с выключенным двигателем», — утверждает Шигеаки Какизаки (Shigeaki Kakizaki), заместитель руководителя отдела Engine Management System Engineering Group No. 2 компании Nissan.

«Очень трудно уменьшить время и стоимость разработки, сохранив традиционный процесс проектирования, — считает Какизаки, — мы достигли предела наших возможностей, поэтому нам нужен новый процесс разработки».

Улучшенная технология: управление за меньший срок

Чтобы достичь поставленной цели — сокращения выхлопных выбросов — Nissan должна уменьшить время разработки, реализовав новую сложную технологию управления, и максимально понизить стоимость системы, сократив количество необходимых датчиков.

Для разработки моделей управления выбросами Nissan использовала системы Matlab, Simulink и Stateflow компании The Mathworks Inc. Эти модели стали основными инструментами, которые использовались инженерами на протяжении всего процесса разработки. Сначала, с помощью Simulink, инженеры создали производственную модель двигателя для проверки конструкции и совершенствования технологий управления выбросами.

«Simulink позволил нам осуществить имитационное моделирование на ранних этапах проектирования, — отмечает Какизаки, — благодаря чему мы смогли быстро проверить наши конструкторские идеи и усовершенствовать технологии управления”. Члены команды Какизаки проверили правильность алгоритмов на реальном двигателе, уточнили требование к количеству выбросов, затем приступили к реализации конструкции и разработке программного обеспечения.

При разработке системы управления выбросами третьего поколения Nissan использовала Simulink для реализации алгоритма управления со скользящим режимом (Sliding Mode Control) — одного из последних достижений в области управления выбросами. Nissan удалось сократить количество датчиков, не ухудшив при этом характеристики системы управления. Эта технология применяется в моделях Maxima, Quest, Murano, Z-car и грузовиках Titan.

«С помощью Simulink мы смогли перейти от теоретических исследований алгоритмов управления со скользящим режимом к реализации в серийных автомобилях”,- отмечает Какизаки.

В данный момент Nissan совершенствует процесс тестирования и контроля, применяя так называемую «концепцию тестирования на основе моделей”.Благодаря возможности сравнения результатов контрольных примеров на моделях Simulink и реальном оборудовании, тестирование на основе моделей сокращает время и усилия, необходимые для отладки и проверки программ. Nissan ведет разработку этой технологии совместно с компанией Reactive Systems, партнером Math Works.

Лучшие средства — лучшие результаты

«Дальнейшее внедрение технологий моделирования на этапе тестирования обеспечит значительное улучшение общей эффективности процесса разработки» — считает Какизаки. Уже достигнуты следующие результаты:

• Сокращение сроков разработки на 50%.
• «Когда необходимо использовать сложные алгоритмы управления, Matlab и Simulink намного превосходят средства проектирования и анализа собственного производства, — отмечает Какизаки. — Благодаря программному обеспечению Mathworks, затраты на программирование сократились вдвое, также улучшилось взаимодействие между командами инженеров»
• Получение награды «Climate Protection Award» Управления по охране окружающей среды США за инновационные технологии экономии топлива и сокращения выброса гидрофторугле-родов, разрушающих озоновый слой.
• Сокращение количества необходимых датчиков — технология, впервые использованная в модели Nissan Sentra 2003 года.